Композитные опоры ВЛ

Композитные опоры воздушных линий электропередач — строительные конструкции, выполненные из армированных полимерных композиционных материалов, предназначенные для удержания проводов и грозозащитных тросов на заданном расстоянии от земли и друг от друга. Сравнительно новый тип строительных конструкций, начавший получать распространение при сооружении линий электропередач в США и Канаде в 2000-х — 2010-х года.^{[источник не указан 3381 день]} В России в опытной эксплуатации с 2009 года.^{[источник не указан 3381 день]}

Композитная (стеклопластиковая) опора ПК-10-1, установленная в рамках реконструкции участка ВЛ 6 кВ Байхтай-Закулей в Иркутской области

История возникновенияПравить

С развитием полимерных композиционных материалов началось их применение в строительстве и электроэнергетике. В частности стеклопластик оказался весьма удачным диэлектрическим материалом. Обладая высоким удельным электрическим сопротивлением (близким к аналогичному показателю стекла), низким тангенсом угла диэлектрических потерь и при этом высокой механической прочностью (на уровне металлов) он получил широкое применение в несущих изолирующих элементах, в том числе опорных изоляторах, корпусах высоковольтных выключателей и другой электротехнической арматуре. Важной особенностью стеклопластика, по сравнению с монолитным стеклом и керамическими изоляционными материалами является его эластичность и низкая хрупкость. За счёт этого полимерные изоляторы с несущим каркасом из стеклопластика оказались способными выдерживать аварийные (в том числе) ударные механические нагрузки, при которых фарфоровые и стеклянные изоляторы разрушаются. Композитные изоляторы при этом лишь деформируются, но сохраняют свою целостность и работоспособность^[1].

Учитывая полученный опыт эксплуатации полимерных изоляторов и стеклопластиковых несущих конструкций в строительстве в разных странах мира начались эксперименты по созданию композитных, прежде всего стеклопластиковых опор. Пионерами практического применения таких опор стали электрические сети США и Канады. Это связано со сложными климатическими условиями данных стран: частые ураганные ветры, сильный гололёд. В таких условиях значительно большая эластичность стеклопластика по сравнению с железобетоном позволяет опорам выдерживать временные перегрузки без повреждений и необратимых деформаций.^{[источник не указан 3381 день]}

Особенности композитных опорПравить

По физико-механическим и электрическим свойствам композитные опоры существенно отличаются от железобетонных и стальных. Это обуславливает существенные отличия конструкции ЛЭП на композитных опорах. По утверждениям ряда специалистов, широкое внедрение композитных опор приведёт к необходимости изменения требований к линиям электропередач и их типовых конструкций.^{[источник не указан 3381 день]}

Физико-механические особенностиПравить

Стеклопластик (базальтопластик) характеризуются высоким отношением предела прочности к модулю упругости (ν=σ/E). Для стеклопластиковых оболочек, получаемых методами перекрёстно-спиральной намотки это отношение составляет порядка 10-12 МПа/ГПа. Для конструкционных сталей, применяемых в производстве многогранных опор это отношение составляет порядка 4,5 МПа/ГПа, для железобетона — порядка 3 МПа/ГПа. Данное отношение определяет предельное значение прогиба опоры без разрушения или остаточных деформаций. По этой причине опоры, выполненные из композиционных материалов допускают значительно большие прогибы под воздействием несимметричных нагрузок, нежели стали и железобетон. Именно это свойство композиционных материалов делает их целесообразными для изготовления опор ЛЭП, работающих в сложных климатических условиях.^{[источник не указан 3381 день]}

Однако модуль упругости стеклопластика (порядка 30-50 ГПа) существенно ниже, чем у стали (200 ГПа). Поэтому композитные опоры ЛЭП имеют при нормальных нагрузках большие прогибы чем стальные с сопоставимой толщиной стенки. Поэтому проектирование ЛЭП на композитных опорах необходимо осуществлять с учётом их гибкости. Согласно ПУЭ габариты ЛЭП с гибкими опорами рассчитываются для случае максимально отклонённых опор. Поэтому при заданном классе напряжения габариты ЛЭП на композитных опорах оказываются больше чем на стальных (железобетонных). Необходимо также учитывать влияние колебаний проводов и предпринимать меры для предотвращения низкочастотных резонансов.^{[источник не указан 3381 день]}

Плотность стеклопластика в 3,5 — 4 раза меньше плотности стали. Следовательно композитные опоры имеют существенно меньшую по сравнению со стальными аналогами массу. Это свойство особенно важно при сооружении ЛЭП в труднодоступных районах (гористая местность, болота, тайга). Так промежуточные опоры ЛЭП класса напряжений 10/20 кВ имеют массу порядка 150—250 кг (а изогридные — менее 100 кг), что позволяет вести транспортировку и монтаж таких опор вообще без применения техники. Композитные опоры на высшие классы напряжений обычно выполняются сборно-модульными. При этом масса каждого модуля позволяет его транспортировать силами 3-4 человек или с применением ручных тележек.^{[источник не указан 3381 день]}

Электрические особенностиПравить

Опоры традиционных конструкций (кроме деревянных) являются проводниками. Это определяет ряд особенностей, связанных с координацией изоляции ЛЭП и распределением её ёмкости и индуктивности. Траверса и грозозащитные тросы (при их наличии) подлежат обязательному заземлению, а к заземлителю предъявляются высокие требования. Опоры, выполненные из стеклопластика, базальтопластика или органопластика являются диэлектриками с высоким показателем электрической прочности. Таким образом сама опора становится изолятором на пути протекания тока «провод-земля». Но, в отличие от деревянных опор у композитных диэлектрические свойства не зависят от погодных условий. Это существенным образом упрощает схему изоляции ЛЭП, а в случае низких классов напряжения (до 10 кВ) представляется возможность вообще отказаться от применения изоляторов. ЛЭП на композитных опорах имеет существенно меньшую ёмкость «провод-земля» и «провод-провод», чем ЛЭП на токопроводящих опорах. Также отпадает необходимость в заземлении траверсы опоры. Поскольку для ЛЭП на композитных опорах сближение проводов с траверсой и стойкой не опасны, представляется возможность уменьшить габариты линии. Это обстоятельство может полностью скомпенсировать увеличение габаритов, вызванное гибкостью опор. ^{[источник не указан 3381 день]}

Высокие диэлектрические свойства композитных опор существенно улучшают грозоупорность ЛЭП. Это позволяет упростить заземляющие устройства, а в ряде случаев вообще отказаться от них и от грозозащитных тросов. Отсутствие заземлителя существенным образом уменьшает действие блуждающих токов на здания, сооружения, природные объекты. Важно и то, что в случае пробоя или разрушения изолятора или падения провода на траверсу не возникает короткого замыкания на землю и не происходит отключение линии. В целом, по результатам ряда исследований, проведённых в США, России и Китае^[2] ожидается, что ЛЭП на композитных опорах будет иметь значительно меньшее количество отключений чем на традиционных. Кроме того, вредное и опасное воздействие ЛЭП на наземные объекты будет сведено к минимуму.^{[источник не указан 3381 день]}

Тем не менее высокое сопротивление композитных опор обуславливает и некоторые проблемы, в частности склонность к накоплению статического заряда, а также большие значения импульсных перенапряжений в случае прямого попадания молнии в ЛЭП (хотя вероятность такого события существенно снижена). Затрудняется также дистанционная диагностика состояния изоляции ЛЭП по показателю реактивного сопротивления.^{[источник не указан 3381 день]}

Устойчивость в окружающей средеПравить

Полимерные композиционные материалы обладают высокой коррозионной стойкостью в кислых и щелочных средах и не подвержены электрокоррозии. В этом их основное преимущество перед металлом и железобетоном. Композитные материалы обладают меньшей гигроскопичностью чем бетон и не повреждаются замерзающей в порах водой. В то же время полимерные композиционные материалы быстро стареют под действием излучения Солнца. Одна из важнейших задач, связанная с массовым внедрением композитных опор - решение вопроса стабилизации полимерного связующего к действию солнечного излучения.^{[источник не указан 3381 день]}

Композитные опоры в России и СНГПравить

По состоянию на 2015 год в России активно ведутся НИОКР по композитным опорам ЛЭП и опорам освещения. Этой темой занимаются как государственные учреждения, в частности МГТУ имени Баумана^[3] и СПбГПУ, так и коммерческие организации, в частности Нанотехнологический Центр Композитов (ООО «НЦК»), «Феникс-88», НПП «Алтик». Решаются вопросы адаптации композитных стоек RStandart (Канада) для использования в составе опор на российских ЛЭП. Заказчиком работ по опорам ВЛ 220 кВ выступило ОАО «Федеральная сетевая компания»; по опорам ВЛ 110 кВ — ОАО «Тюменьэнерго» (с проведением опытно-промышленной эксплуатации до 2015 года) — https://web.archive.org/web/20160828004529/http://www.xn-----glcfccctdci4bhow0as6psb.xn--p1ai/articles/vysokovoltnye-linii-elektroperedachi/opyt-razrabotki-izgotovleniya-i-ispytaniy-promezhutochnykh-opor-iz-kompozitsionnykh-materialov-dlya-.%7B%7B%D0%9D%D0%B5%D1%82 АИ|22|12|2013}} В 2014 году инициированы разработки опор ВЛ 10-35 кВ для распределительного сетевого комплекса.^{[источник не указан 3005 дней]}

В целях изучения работы композитных опор в составе действующих ЛЭП, особенностей их монтажа и эксплуатации в различных климатических зонах России были смонтированы опытные участки линий на композитных опорах, в частности в Якутии^[4], Тюменской области^[5], Краснодарском крае^[6], Архангельской области, Приморском крае.^{[источник не указан 3381 день]}, Татарстане, Иркутской области^[7]

ООО «НЦК» совместно с Филиалом АО «ДРСК» «Амурские электрические сети» (входит в состав ПАО «РАО ЭС Востока») реализовали пилотный проект по установке опор воздушных линий электропередачи из композитных материалов. В июле 2016 года в селе Волково Благовещенского района Амурской области были установлены двадцать композитных опор, разработанных ООО «НЦК», на классы напряжений 0,4 кВ и 6-10 кВ.^[8]^[9] В августе 2017 года композитные опоры, произведенные ООО ООО «НЦК», были использованы при реконструкции ВЛ-6кВ 3л-Юс-6, г. Южно-Сахалинск для замены деревянных опор.^[10]

Галерея изображенийПравить

Композитные опоры установлены взамен изношенных и морально устаревших деревянных
Композитные опоры
Композитные опоры в упакованном виде
Монтаж композитной опоры

Композитные опоры и ПУЭПравить

В России конструкция ЛЭП выполняется в соответствии с Правилами устройства электроустановок. Данные правила разрабатывались достаточно давно, поэтому они фактически учитывают сложившуюся практику применения опор из традиционных материалов (железобетон, металл), то есть жёстких и токопроводящих. Соответственно, все требования, предъявляемые ПУЭ относятся именно к этому типу опор. Хотя, применение гибких диэлектрических композитных опор и не запрещено ПУЭ, специальные указания и рекомендации по их применению полностью отсутствуют. В частности, нет указаний по особенностям изоляции и заземления ЛЭП на композитных опорах. Данная неопределённость на существующем этапе приводит к необходимости построения ЛЭП на композитных опорах по нормативам для ЛЭП на железобетонных и стальных опорах, что не позволяет в полной мере реализовать потенциал композитных опор.^{[источник не указан 3381 день]}

ПримечанияПравить

↑ http://pl.selec.ru/_/pl/19/energoexpert-6-2010-kompozit.pdf Архивная копия от 23 октября 2013 на Wayback Machine Композитные опоры уверенно противостоят стихии
↑ Zhijun, L. Study on grounding design for lightning of tubular composite material towers in 110kV overhead transmission line / Zhijun Li, Han-Ming Li, Min Dai, Shi-Cong Deng, Ding-xie G, Qian-Hu Wei [Электрон- ный ресурс] // 2010 International Conference on High Voltage Engineering and Application / New Orleans, 2010.— P. 473–475. IEEE Xplore (http://ieeexplore (недоступная ссылка). ieee.org). DOI: 10.1109/ICHVE.2010.5640725.
↑ Разработка и организация производства опор ЛЭП и строительных конструкций из наномодифицированных композиционных материалов (намотка, инфузия) (неопр.). МИЦ «Композиты России». Дата обращения: 23 октября 2013. Архивировано из оригинала 24 декабря 2013 года.
↑ «Якутскэнерго» установило экспериментальные опоры ЛЭП из композитного материала (неопр.). Дата обращения: 23 октября 2013. Архивировано 29 октября 2013 года.
↑ Новые опоры ЛЭП в Тюмени сделаны из стеклопластикового композита (неопр.). Дата обращения: 23 октября 2013. Архивировано 29 октября 2013 года.
↑ Кубаньэнерго устанавливает новый тип опор ЛЭП в горных поселках края
↑ ОАО "ИЭСК" - Установка опор нового типа на ВЛ 6-10 кВ (неопр.). Дата обращения: 6 июля 2022. Архивировано 15 февраля 2020 года.
↑ ДРСК реализует инновационный проект в области электроэнергетики / ИА "Амур.инфо" (неопр.). www.amur.info. Дата обращения: 29 июля 2016. Архивировано 29 июля 2016 года.
↑ 25/07/2016 Композитные опоры ВЛЭП, разработанные и изготовленные в ООО «НЦК», установлены на Дальнем Востоке. - Нанотехнологический центр композитов (неопр.). www.nccrussia.com. Дата обращения: 29 июля 2016. Архивировано 8 августа 2020 года.
↑ 27.10.2017 Композитные опоры ЛЭП производства НЦК установлены в Южно-Сахалинске (неопр.). www.nccrussia.com. Дата обращения: 18 мая 2022. Архивировано 18 мая 2022 года.

[koups-1] ttp://pl.selec.ru/_/pl/19/energoexpert-6-2010-kompozit.pdf Архивная копия от 23 октября 2013 на Wayback Machine Композитные опоры уверенно противостоят стихии

[china-2] Zhijun, L. Study on grounding design for lightning of tubular composite material towers in 110kV overhead transmission line / Zhijun Li, Han-Ming Li, Min Dai, Shi-Cong Deng, Ding-xie G, Qian-Hu Wei [Электрон- ный ресурс] // 2010 International Conference on High Voltage Engineering and Application / New Orleans, 2010.— P. 473–475. IEEE Xplore (http://ieeexplore (недоступная ссылка). ieee.org). DOI: 10.1109/ICHVE.2010.5640725.

[mvtu-3] Разработка и организация производства опор ЛЭП и строительных конструкций из наномодифицированных композиционных материалов (намотка, инфузия) (неопр.). МИЦ «Композиты России». Дата обращения: 23 октября 2013. Архивировано из оригинала 24 декабря 2013 года.

[yak-4] «Якутскэнерго» установило экспериментальные опоры ЛЭП из композитного материала (неопр.). Дата обращения: 23 октября 2013. Архивировано 29 октября 2013 года.

[tumen-5] Новые опоры ЛЭП в Тюмени сделаны из стеклопластикового композита (неопр.). Дата обращения: 23 октября 2013. Архивировано 29 октября 2013 года.

[kuban-6] Кубаньэнерго устанавливает новый тип опор ЛЭП в горных поселках края

[iesk-7] ОАО "ИЭСК" - Установка опор нового типа на ВЛ 6-10 кВ (неопр.). Дата обращения: 6 июля 2022. Архивировано 15 февраля 2020 года.

[8] ДРСК реализует инновационный проект в области электроэнергетики / ИА "Амур.инфо" (неопр.). www.amur.info. Дата обращения: 29 июля 2016. Архивировано 29 июля 2016 года.

[9] 25/07/2016 Композитные опоры ВЛЭП, разработанные и изготовленные в ООО «НЦК», установлены на Дальнем Востоке. - Нанотехнологический центр композитов (неопр.). www.nccrussia.com. Дата обращения: 29 июля 2016. Архивировано 8 августа 2020 года.

[10] 27.10.2017 Композитные опоры ЛЭП производства НЦК установлены в Южно-Сахалинске (неопр.). www.nccrussia.com. Дата обращения: 18 мая 2022. Архивировано 18 мая 2022 года.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]